Диссертация (Исследование быстропротекающих процессов в течениях с ударными волнами цифровыми оптическими методами), страница 3

Однойиз важных задач аэродинамики является исследование возможностей управлениявысокоскоростными газодинамическими потоками с использованием подобныхразрядов [79].1.1.1 Теневая и фотографическая визуализацияНесмотря на активное развитие новых методов диагностики, остаётсяактуальной визуализация быстропротекающих газодинамических процессов спомощью классических оптических методов.

Такими являются, например,классические теневые методы визуализации, а также прямое фотографирование.Теневой метод визуализации, впервые описанный, вероятно, Р.Гуком в XVIIв., применялся для исследования простейших течений по крайней мере с тоговремени. Первые из дошедших до нас теневых изображений встречаются в книгеЖ.-П. Марата [109], где иллюстрируют тепловые потоки от пламени свечи инагретых предметов.В середине XIX в. Ж.Б.Л Фуко впервые применил метод светового ножа дляпроверки качества оптических элементов, главным образом астрономическихзеркал и линз.

А. Теплер предложил использовать этот метод для наблюдениятечений газов, и дал ему название «шлирен-метод», под которым он почти везде иизвестен сейчас.Вскоре развитие фотографических материалов и источников светапозволилоприменятьфотографиюкисследованиюимпульсныхибыстропротекающих процессов. Атмосферный дуговой разряд, используемый в12качестве источника света в оптической схеме шлирен-метода, позволялосуществлять визуализацию с временным разрешением порядка микросекунды илучше.Широкоизвестнышлирен-фотографиисверхзвуковогообтеканиявинтовочной пули, сделанные П.

Зальхером в тесном сотрудничестве с Э. Махом.С появлением импульсных лазеров стало возможным получать фотографиитеченийсэффективнымиМонохроматичностьэкспозициями,лазерногоизлученияисчисляемымитакжеявляетсянаносекундами.благоприятнымфактором для использования в теневой визуализации, поскольку избавляетизображение от последствий дисперсии в оптических элементах и объектеисследования [4]. К явным недостаткам лазеров относятся эффекты дифракции иинтерференции, малый размер источника света и высокая интенсивностьизлучения, создающая опасность для систем регистрации света.

Поэтому широкоеприменение нашли короткоимпульсные нелазерные источники света. Ртутные иксеноновые газоразрядные лампы способны генерировать световые импульсывысокой интенсивности с длительностью 1 мс, и в некоторых случаях меньше.Светоизлучающие диоды (СИД) обеспечивают короткую длительность световойвспышки, вплоть до субмикросекундного диапазона, и также могут бытьиспользованы в качестве источников света для высокоскоростной визуализации.В случае СИДограничивающим фактором является малая абсолютнаяинтенсивность излучения таких источников света.Возможностибыстропротекающихвизуализацииигазодинамическихоптическогопроцессовтакжеисследованияопределяютсяособенностями регистрирующего устройства. Можно выделить два большихкласса фоторегистрирующих устройств: предназначенные для регистрацииодиночных кадров и способные к регистрации с временным разрешением.В качестве первых, как правило, используются фотокамеры с большимразмером кадра и высоким пространственным разрешением.

Поскольку малаяэффективнаявыдержкаможетбытьдостигнутаиспользованием13короткоимпульсного источника света, возможности собственной выдержкикамеры не имеют существенного значения; важно лишь обеспечить необходимуючувствительность регистрирующего устройства для получения достаточноконтрастного кадра. Так, в работах [46] импульсный рубиновый лазериспользуетсядляформированиявысокочувствительнойоднократногофотоплёнке,шлирен-изображениявизуализируятонкуюнаструктурудетонационного фронта в горючих газовых смесях.Второйклассвидеокамерами,ирегистрирующихдругимиустройствустройствами,представленпозволяющимикино-ирегистрироватьнепрерывную последовательность кадров. В этом случае малая экспозициякаждого кадра тоже может быть достигнута с помощью подходящего источникаизлучения, способного генерировать последовательность импульсов нужнойкраткостииинтенсивностимаксимальнаяразрешениесинхроннос регистрациейкадров.Однакочастота регистрации кадров, и, следовательно, временноеполученныхданных,зависитцеликомотрегистрирующегоустройства.В настоящее время развитие технологий и элементной базы цифровойфоторегистрациипозволилоудовлетворитьпрактическивсевозможныепотребности оптических методов, и окончательно вытеснить аналоговуюрегистрацию.Если в 1990-х гг., пространственное разрешение светочувствительныхКМОП/ПЗСматрицвысококачественныхсущественнофотоплёнок,уступалотосейчасаналогичномудажепараметруунеспециализированныецифровые фотокамеры обеспечивают высокое разрешение получаемых снимков(15-25Мпк),достаточноедляприменениявисследовательскихцелях.Специализированные камеры, как правило, являются необходимыми длярегистрации вне оптического диапазона, а также обычно представляют большевозможностей для интеграции в единый измерительный комплекс.

Хранение14фотографий в цифровом виде существенно облегчает анализ экспериментальныхданных и упрощает эксперимент.Развитиебыстродействиясветочувствительныхматрицпозволилораспространить цифровую регистрацию и на динамическую фотосъёмку. КамераHyperVision HPV-X2 фирмы Shimadzu, представляющая на 2015 г. последнеепоколение высокоскоростных цифровых камер, способна осуществлять съёмку счастотой до 10 млн. к/с, что вплотную подходит к параметрам лучшихспециализированных камер с плёночной регистрацией, таких как камеры ВСКС-7,ФП-38 и ЛВ-1 [136]. При этом HPV-X2 несколько превосходит упомянутыеаппараты по количеству кадров в одной серии (до 256 кадров на максимальнойчастоте против 65 для ВСКС-7), но очевидно проигрывает в пространственномразрешении изображения (200×250 пк против плёночного кадра 7,5×22 мм).Высокоскоростныекамерыширокоиспользуютсявсочетаниисклассическими теневыми методами.

Работа [33], например, представляетрезультаты испытаний одной из высокоскоростных камер нового поколения, напримере цветной шлирен-съёмки различных нестационарных процессов: течениепульсирующего сверхзвукового обтекания, детонация и др.1.1.1 Теневой фоновый методОднимизметодов,применениекоторогокисследованиямвысокоскоростных импульсных течений разрабатывалось автором, являетсятеневой фоновый метод (ТФМ). В англоязычной литературе он известен какBackground Oriented Schlieren (BOS).Метод был предложен практически одновременно Майером [37, 111], иДальцилем [86], тогда же были произведены первые экспериментальные съёмки.Метод сразу вызвал большой интерес, поскольку давал возможность получатькачественные, и в некоторых случаях количественные поля термодинамическихпараметров при значительно упрощённой по сравнению с теневыми методами15аппаратной части.

Цифровая составляющая метода в простейшем случаеприменения также не требовала существенных разработок, поскольку методыцифрового сравнения экспериментальных изображений уже были существенноразработаны в рамках метода цифровой трассерной анемометрии (ЦТА). В Россиипервые работы с использованием ТФМ были проведены в начале 2000-х в НИУ"МЭИ" [47, 118]В работах [87] и [48] были исследованы течения в гиперзвуковыхаэродинамических трубах, включая обтекание модели прямоточного реактивногодвигателя (тж. [53]). Кирмсе и др.

[100] использовали ТФМ совместно с ЦТА длякомбинированной визуализации течения с числом Маха М=8 в ударнойаэродинамической трубе. В работе [119] визуализирован разогрев газа за ударнойволной при обтекании конуса потоком с М=3.8, в [114] исследовано течение сМ=4. При участии автора были проведены ТФМ-исследования нестационарныхтрансзвуковых течений, содержащих ударные волны [93, 135]. ТФМ применялсядля исследования течений за обтекаемыми потоком моделями, визуализациивлияния тепловых эффектов и сжимаемости.

Другие группы ([122, 123])исследовали конфигурацию спутной струи за пропеллером, а также след занагретым цилиндром в потоке ([83]). С помощью ТФМисследовалисьприповерхностные эффекты при обтекании модели ракеты-носителя ([132]). Как идругие оптические методы диагностики, ТФМ широко применяется дляисследования течений в газовых турбинах: например, совместно с ЦТА дляизучения спутной струи в линейном каскаде турбин ([80, 107]). ОпубликованырезультатыТФМ-визуализациивсложныхусловияхкриогенныхаэродинамических труб [89, 92, 106].При исследовании процессов горения ТФМ также может быть широкоприменён, поскольку метод способен визуализировать не только тепловые потокии пламёна [98], но также определять концентрации составляющих в различныхтопливных смесях [104, 105, 130]. Обе этих составляющих дополняют друг друга16при исследовании, например, поджига струй, как в работе [13] по исследованиямпроцессов истечения и горения водорода.В отличие от теневого и шлирен-метода, ТФМ-визуализация не требуетиспользования оптических элементов, сравнимых по размерам с исследуемымтечением.Этосвойстводелаетегоудобнымдляразличныхполевыхисследований и экспериментов, и других случаев, когда требуется визуализациятечений большого масштаба.

Объединённой группой были выполнены натурныеисследования обтекания лопастей вертолётного винта [32]. В работе [21] былипроведены исследования по возможности применения ТФМ к визуализацииестественных течений газа, а также по возможности использования натуральныхповерхностей и объектов в качестве фона для оптической схемы. ТФМ такжеприменялся для натурных съёмок полномасштабных полевых взрывныхиспытаний [40], хотя основным результатом было определение положения фронтаударной волны, порождённой взрывом. Результаты работ однозначно указываютна то, что ТФМ обладает исключительными возможностями по практическимполевым применениям, хотя при этом не всегда удаётся производить точныеколичественные измерения.Практически с самого начала использования теневого фонового методабыли обнаружены значительные погрешности, возникающие при визуализацииударных волн данным методом.

Результаты многочисленных работ показывают,что количественное определение скачка плотности на фронте ударной волныпосредством классической схемы ТФМ представляет сложную проблему [95, 99].Эффект, регистрируемый на фронтах ударных волн, зачастую не коррелирует сфизическими параметрами потока.

В работах автора [63] было показано, чтоданная проблема фактически обусловлена выходом детектируемой величинырефракции за рамки чувствительности метода. Из-за сильного преломления светана фронте ударной волны отклонённый луч может выйти за пределы оптическойсхемы и не быть зарегистрированным.17На сегодняшний день большинство работ, связанных с ТФМ, рассматриваеттечения и процессы, происходящие в газе. Однако по своим принципам ТФМтакже применим к исследованию процессов в прозрачных жидких и аморфныхсредах. Так, метод использовался для регистрации внутренних волн в объёмеводы [24] и тепловых процессов в воде и плексигласе [137].Во множестве работ метод применяется в качестве вспомогательного,дополнительно к точным количественным методам, таким как ЦТА (PIV), LIF,различные методы контактных измерений и т.д. ТФМ используется, чтобывизуализировать качественную структуру исследуемого течения в виде поляградиента плотности.